碼垛機(jī)器人設(shè)計I摘 要碼垛機(jī)器人是機(jī)械與計算機(jī)程序有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。為現(xiàn)代生產(chǎn)提供了更高的生產(chǎn)效率。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得機(jī)器人在碼垛、涂膠、點(diǎn)焊、弧焊、噴涂、搬運(yùn)、測量等行業(yè)有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。本文首先對碼垛機(jī)器人作了簡單的概述；接著，分析了碼垛機(jī)器人的工作原理及設(shè)計準(zhǔn)則；然后，對碼垛機(jī)器人的手部、腕部、臂部及控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與校核；最后，采用 CAD 制圖軟件繪制了裝配圖和主要零部件圖。通過本次設(shè)計，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用 AutoCAD 軟件，本次碼垛機(jī)器人設(shè)計代表了設(shè)計的一般過程, 對今后的機(jī)器人設(shè)計工作有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：碼垛；機(jī)器人；設(shè)計AbstractPalletizing robot is a combination of mechanical and computer program. Provide a higher production efficiency for modern production. With the rapid development of the sustainable development of our country economy, science and technology, the 碼垛機(jī)器人設(shè)計IIrobot has a wide range of applications in the palletizing, glue, spot welding, arc welding, spraying, handling and measurement industry.This article first has made the simple outline of the palletizing robot; then, it analyzes the working principle and the design criterion of palletizing robot; then, of the palletizing robot hand, wrist, arm and control system were designed and checked. Finally, the CAD drawing software to draw the assembly drawing and the main parts of the map.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing, and master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD software, the palletizing robot design represents the general process of design, have certain reference value for future design and robot.Keywords: Palletizing; Robot; Design;目 錄摘 要 IAbstract II第 1 章 緒 論 1碼垛機(jī)器人設(shè)計III1.1 簡介 .11.2 課題研究背景和意義 11.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)況 2第 2 章 總體設(shè)計 42.1 工業(yè)機(jī)械手的組成 42.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 42.1.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 42.1.3 控制系統(tǒng) 51.2 方案及參數(shù)的選擇 .5第 3 章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計 73.1 手部 .73.1.1 手指的形狀和分類 .73.1.3 手部夾緊的設(shè)計 .73.2 手腕 93.2.1 手腕的自由度 93.2.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 93.2.3 手腕回轉(zhuǎn)的尺寸及其校核 .113.3 手臂 .133.3.1 臂部設(shè)計的基本要求 .133.3.2 尺寸設(shè)計 .143.3.3 尺寸校核 .15第 4 章 控制系統(tǒng)設(shè)計 164.1 CPU 與存儲器 164.2 中斷處理電路 174.3 8279 鍵盤、顯示 174.3 編程 .18總 結(jié) 22致 謝 23參考文獻(xiàn) 24碼垛機(jī)器人設(shè)計1第 1 章 緒 論1.1 簡介隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得機(jī)器人在碼垛、涂膠、點(diǎn)焊、弧焊、噴涂、搬運(yùn)、測量等行業(yè)有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。有很多個原因，包括包裝的種類、工廠環(huán)境和客戶需求等將碼垛變成包裝工廠里一塊難啃的骨頭。為了克服這些困難，碼垛設(shè)備的各個方面都在發(fā)展改進(jìn)，包括從機(jī)械手到操縱它的軟件。市場上對靈活性的需求不斷增長，這一個趨勢已經(jīng)影響到了包裝的多個方面，生產(chǎn)線的后段也不例外。零售客戶，尤其是那些具有影響力的如沃爾瑪一樣的大型超市，經(jīng)常需要定制一些隨機(jī)貨盤，但是他們不得不定制每一個貨盤，而貨盤的形式只是偶爾會有重復(fù)。而且這類隨機(jī)的貨盤的高效生產(chǎn)是比較困難的。1.2 課題研究背景和意義隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，現(xiàn)代物流作為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的重要組成部分和工業(yè)化進(jìn)程中最為經(jīng)濟(jì)合理的綜合服務(wù)模式，正在全國范圍內(nèi)得以迅速發(fā)展。自動化立體倉庫作為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要組成部分，是一種多層存放貨物的高架倉庫系統(tǒng)，它是在不直接進(jìn)行人工干預(yù)的情況下自動地存儲和取出物流的系統(tǒng)。碼垛機(jī)械手是完成自動化立體倉庫中最重要的設(shè)備之一，是貨物堆放到立體倉庫的前端設(shè)備，它能夠把單一的物料碼放到一起，便于運(yùn)輸，提高了生產(chǎn)碼垛機(jī)器人設(shè)計2效率。它將已裝入容器的紙箱，裝入大袋的化工產(chǎn)品、水泥、糧食等按一定排列碼放在木質(zhì)（或塑料）托盤上，進(jìn)行自動堆碼，可堆碼多層，然后推出，便于叉車運(yùn)至倉庫儲存?？纱蟠蟮販p少勞動人員和降低勞動強(qiáng)度，是現(xiàn)代工業(yè)社會發(fā)展的高科技產(chǎn)物，對提高生產(chǎn)率、降低成本有著重要意義。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)況最早將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運(yùn)是日本和瑞典。20 世紀(jì) 70年代末日本第一次將機(jī)器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)。1974 年，瑞典 ABB 公司研發(fā)了全球第一臺全電控式工業(yè)機(jī)器人 IRB6，主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運(yùn)。除此之外，德國、意大利、韓國等國家工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)水平也相當(dāng)高。隨著計算機(jī)技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)以及人工智能控制等技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，日本、德國、美國、瑞典、意大利、韓國等國家在包裝碼垛機(jī)器人的研究上做了大量工作，相應(yīng)推出了自己的碼垛機(jī)器人，如日本的 FANUC 和 OKURA 以及FUJI 系列，德國的 KUKA 系列，瑞典的 ABB 系列等。德國、瑞典以及日本等國家的碼垛機(jī)器人一般為 4~6 軸機(jī)器人，主要由固定底座、連桿、連桿臂、臂部、腕部以及末端執(zhí)行器組成。機(jī)器人主體多采用優(yōu)質(zhì)輕巧的鑄鋁材料制造和連桿式關(guān)節(jié)型的機(jī)構(gòu)形式，均利用 CAD 和 FEM 有限元技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，具有較高的機(jī)械性能和抗震能力；驅(qū)動系統(tǒng)均采用模塊式數(shù)字化 AC 伺服電機(jī)和 RV 減速器，取消了腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)和平衡塊，大大優(yōu)化了整機(jī)結(jié)構(gòu);針對不同類型的產(chǎn)品和包裝件，還設(shè)計了真空吸持、夾持、義式等多種形式的智能末端執(zhí)行器。這些先進(jìn)碼垛機(jī)器人最顯著的技術(shù)特點(diǎn)就是采用了基于 PC 的開放式控制系統(tǒng)，令機(jī)器人能夠高速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。如瑞典 ABB 公司為 IRB 系列碼垛機(jī)器人研發(fā)了主動安全軟件和被動安全軟件，可對機(jī)器人的運(yùn)動和載荷情況進(jìn)行監(jiān)控。日本 FANUC M410i系列碼垛機(jī)器人軟件體系也非常強(qiáng)大，PalletTool /PalletPROTM 用于碼垛設(shè)置、仿真和操作;Supports Collision GuardTM 用于減少機(jī)器人、夾持器、箱/ 袋以及外圍設(shè)備的碰撞損壞;基于網(wǎng)絡(luò)的軟件工具用于遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)、診斷和生產(chǎn)監(jiān)控 ;還專門配備了機(jī)器視覺引導(dǎo)系統(tǒng)，用于引導(dǎo)機(jī)器人完成拆垛和檢查工作。我國的工業(yè)機(jī)器人從上世紀(jì) 80 年代“七五” 科技攻關(guān)開始起步，在國家的支碼垛機(jī)器人設(shè)計3持下，通過“ 七五” 、 “八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人，其中有 130 多臺套噴漆機(jī)器人在 20 余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線站上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人也已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總體來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外相比還有一定的差距，如可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域狹窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外相比仍有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 多臺，僅占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。形成以上現(xiàn)象的主要原因是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是迎合客戶的要求，即“一個客戶，一次重新設(shè)計” ，品種規(guī)格多，批量小，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本高，而且質(zhì)量和可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，完善系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。第 2 章 總體設(shè)計2.1 工業(yè)機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關(guān)系如圖2.1 所示。圖 2.1 機(jī)械手的組成2.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型(為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單） 。也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光碼垛機(jī)器人設(shè)計4滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2）腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓物體的方位（即姿態(tài)） 。它可以有上下擺動，左右擺動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個運(yùn)動。（3）臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。2.1.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)有氣動、液動、電動和機(jī)械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在 300N 以下。液動式的出力大，臂力可達(dá) 1000N 以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內(nèi)。目前常用的是氣動和液動驅(qū)動方式。電動式用于小型，機(jī)械式只用于動作簡單的場合。2.1.3 控制系統(tǒng)有點(diǎn)動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特征。1.2 方案及參數(shù)的選擇（1）手部負(fù)重：10kg（2）自由度數(shù)：4 個，沿 Z 軸的上下移動，繞 Z 軸轉(zhuǎn)動，沿 X 軸的伸縮，繞 X 軸的轉(zhuǎn)動（3）坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)，其圓柱坐標(biāo)型式的運(yùn)動簡圖如圖所示（見圖1）（4）最大工作半徑：1800mm，最小工作半徑 1350mm（5）手臂最高中心位置：1012mm 或伺服電機(jī)上端最高行程：1387mm（見圖 2） ，最小行程：1237mm碼垛機(jī)器人設(shè)計5（6）手臂運(yùn)動參數(shù)：伸縮行程（X）：450 伸縮速度： 〈250mm/s升降行程（Z）：150mm 升降速度：〈60mm/s回轉(zhuǎn)范圍（φ）：0~180 度 回轉(zhuǎn)速度：〈70/s（7）手腕運(yùn)動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍（ω）： 0~180 回轉(zhuǎn)速度：90/s（8）手臂握力：由 N=50Kg碼垛機(jī)器人設(shè)計6第 3 章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.1 手部3.1.1 手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。3.1.3 手部夾緊的設(shè)計1、手部驅(qū)動力計算本課題電動機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示：圖 3-1 齒輪齒條式手部其工件重量 G=10 公斤，V 形手指的角度 ， ,摩擦系數(shù)為?120??mRb24??10.?f碼垛機(jī)器人設(shè)計7(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:Rbp2?N(2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式:)(5.0???tg)(2426'N???所以： Rbp)(45(3)實(shí)際驅(qū)動力:?21K?實(shí) 際因為傳力機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取 ，并取 。若被抓取工94.0??5.1?K件的最大加速度取 時，則:ga3?12?gaK所以 )(5694.0125Np?實(shí) 際所以夾持工件時所需夾緊的驅(qū)動力為 。133.2 手腕3.2.1 手腕的自由度由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞 x 軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，因此我們選用。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于 ，并且要求嚴(yán)格的密封。?3603.2.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算圖 2-2 所示為手腕受力的示意圖。碼垛機(jī)器人設(shè)計81.工件 2.手部 3.手腕圖 2-2 手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算:封摩偏慣驅(qū) MM??式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩( );驅(qū) cmN?- 慣性力矩( );慣 cmN?- 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)的動片 )對轉(zhuǎn)偏動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩( ).?- 手腕回轉(zhuǎn)的動片與定片、徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力封M矩( );cmN?下面以圖 2-3 所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:手腕加速運(yùn)動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M 悅?cè)羰滞笃饎舆^程按等加速運(yùn)動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為 ，起動過程所用?的時間為 ，則:t?).(1cmNtJM???）（慣式中: - 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ;).(2scmN- 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 。1J ).(2scN若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量 為:1J碼垛機(jī)器人設(shè)計9gGJc11??2e式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量 :c ).(2scmN- 工件的重量(N);1- 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm),e- 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);?- 起動過程所需的時間(s);t?— 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。?（2）手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 M 偏+ ( )?偏M1eG3cmN?式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N);3- 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)e當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則 .1eG0?（3）手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 封M( )?封M)(21dRfBA?cmN?式中: ， - 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑 (cm);1d- 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 ，對于滑動軸承 ;f 01.?f 1.0?f, - 處的支承反力(N) ，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，ARB根據(jù) ,得:0??）（ FM3lGB?l12R?l31?同理，根據(jù) (F) ,得:BM?0?碼垛機(jī)器人設(shè)計10llGlGRA )()()( 321????式中: - 的重量(N)2,— 如圖 4-1 所示的長度尺寸 (cm).31,l3.2.3 手腕回轉(zhuǎn)的尺寸及其校核（1）尺寸設(shè)計長度設(shè)計為 ,內(nèi)徑為 =96mm,半徑 ,軸徑mb10?1DmR48?mD26?=26mm,半徑 ,運(yùn)行角速度 = ，加速度時間 =0.1s, 壓強(qiáng)2DR3?s/90? t?,MPa4.0?則力矩：2)(rRpb?).(63)026.48.(104.6mN???（2）尺寸校核（a）測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 ,分析部件的質(zhì)量分布情況，kgm10?質(zhì)量密度等效分布在一個半徑 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：r521rmJ?05.2?（ ）1.?2.kg工件的質(zhì)量為 5 ,質(zhì)量分布于長 的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量：ml10?碼垛機(jī)器人設(shè)計11).(042.1.522mkglJc??假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長 的棒料來說，最大偏心ml10?距，其轉(zhuǎn)動慣量為:e501?).(0167.422mkgJc??慣MtJ???1).(3261.09705N?（b）手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為 M 偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心與轉(zhuǎn)動軸線重合， ，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線01?e,則：me503?+ 偏M1eG3).(5205.10N????（c）手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 ，對于滾動軸承 ，摩M01.?f對于滑動軸承 =0.1， ， 為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑， , f1d2d md3, , 為軸頸處的支承反力，粗略估計 , ,md20?ARB NRA30?B5摩M)(12f??)03.5.03. ?)(5.mN碼垛機(jī)器人設(shè)計123.3 手臂3.3.1 臂部設(shè)計的基本要求臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕a.根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸;b.提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離;c.合理布置作用力的位置和方向;d.注意簡化結(jié)構(gòu);e.提高配合精度。（2）臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運(yùn)動的機(jī)械手，其最大移動速度設(shè)計在 1000-1500mm/s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在 180°/s 內(nèi)，大部分平均移動速度為 1000mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在 90°/s。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 4 個途徑：a.減少手臂運(yùn)動件的重量，采用鋁合金材料。b.減少臂部運(yùn)動件的輪廓尺寸。c.減少回轉(zhuǎn)半徑 ρ，再安排機(jī)械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮） ，盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作。d.驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。（3）手臂動作應(yīng)該靈活為減少手臂運(yùn)動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象） 。3.3.2 尺寸設(shè)計長度設(shè)計為 ,內(nèi)徑為 ,半徑 R=105mm,軸徑mb120?mD210?半徑 ,運(yùn)行角速度 = ，加速度時間 0.5s,壓強(qiáng)D402?R?s/9? t??碼垛機(jī)器人設(shè)計13,MPa4.0?則力矩： 2)(rRpb??).(5)02.15.(04.6mN???3.3.3 尺寸校核（1）測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 ,分析部件的質(zhì)量分布情kg120?況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：mr21rmJ?210.?（ ）6.?.mkgtJM??慣).(108596mN??考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) ,2.0?k慣摩 Mk.）（ mN.451082??總驅(qū)動力矩：摩慣驅(qū) ?）（ mN.413508?設(shè)計尺寸滿足使用要求。M〈驅(qū) ?碼垛機(jī)器人設(shè)計14第 4 章 控制系統(tǒng)設(shè)計微型計算機(jī)種類很多，一般均由以下三部分組成：A. 中央處理器 CPU，或稱微處理器 MPU。B. 內(nèi)存儲器，即主記憶裝置 ROM 及 RAM 。C. 輸入輸出裝置 I/O，或稱接口裝置，聯(lián)系這些裝置的為三條總線，即數(shù)據(jù)總線 DB，地址總線 AB 及控制總線 CB。不同型號的微型計算機(jī)主要是中央處理器 CPU 的內(nèi)容的功能不同，因而有不同的指令系統(tǒng)和匯編語言。由于外部設(shè)備之不同以及是否用于實(shí)時控制，其I/O 接口裝置因而很大差異。RAM 和 ROM 的存儲量大小直接影響計算機(jī)的應(yīng)用范圍。但一般微型計算機(jī)都可以在原有存儲量的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)充。本機(jī)器人的控制系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖 4-1。它由主 CPU 板、I/O 板、控制面板、示教盒、伺服板、和穩(wěn)壓電源板等組成。伺服板圖 4-1 控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖4.1 CPU 與存儲器CPU 采用 8031 微處理器地址譯碼器內(nèi)存 RAM 和 EPROM 以及鎖存器組成。數(shù)據(jù)存儲器采用 6264（8K×8） ，一共采用 3 塊 6264，故 RAM 為 24K，除控制板I/O 端口及電平轉(zhuǎn)換電路伺服控制電路機(jī)器人8031CPURAMROM輔助運(yùn)算回路串行通訊電路串行中斷電路 脈沖分配電路讀位置電路碼垛機(jī)器人設(shè)計15了作為系統(tǒng)參數(shù)工作區(qū)，標(biāo)志單元外，主要用作用戶程序存儲區(qū)，為了保存RAM 的內(nèi)容，一旦斷電，保證 RAM 中的用戶程序不會丟失，故采用電池利用CE2 引腳的掉電保護(hù)裝置在此也得到了應(yīng)用，具體內(nèi)容在后詳講，這里不再敘述。4.2 中斷處理電路本控制系統(tǒng)中采用 8259 中斷控制器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多重中斷的優(yōu)先排隊和中斷申請?zhí)幚怼?259 具有多中工作方式，可通過編程設(shè)定或變更它的工作方式。CPU 響應(yīng)中斷時，8259A 能自動提供中斷入口地址，而使 CPU 轉(zhuǎn)問相應(yīng)的中斷處理程序。中斷入口地址可由用戶設(shè)定，入口地址可以選定在任何存儲單元。中斷應(yīng)答時序如圖所示：IRINTINTADB4.3 8279 鍵盤、顯示8279 芯片是一種通用的可編程序的鍵盤、顯示接口器件，單個芯片就能完成鍵盤輸入和 LED 顯示控制兩種功能，鍵盤部分提供的掃描方式，可以和具有64 個按鍵成傳感器的陣列相連，能自動消除開關(guān)抖動以及 n 鍵同時按下的保護(hù)。顯示部分按掃描方式工作，可以顯示 8 或 16 位 LED 顯示塊。8279 電路工作原理如下：（1）.I/O 控制及數(shù)據(jù)緩沖器，數(shù)據(jù)緩沖器是雙向緩沖器，連接內(nèi)、外總線，用于傳送 CPU 和 8279 之間的命令或數(shù)據(jù)。I/O 控制線是 CPU 對 8279 進(jìn)行控制的引線。CS 是 8279 的片選信號，當(dāng) CS=0 時，8279 才被允許讀出或?qū)懭胄畔?。WR、RD 為來自 CPU 的讀、寫控制信號。A0用于區(qū)別信息特性：A0=1 時，表示數(shù)據(jù)緩沖器輸入為指令，輸出為狀態(tài)字，A0=0 時，輸入、輸出皆為數(shù)據(jù)。 （2）控制與定時寄存器及定時控制，控制與定時器用來寄存鍵盤及顯示的工作方式，以及由 CPU 編程的其它操作方式。這些碼垛機(jī)器人設(shè)計16寄存器一旦接收并鎖存送來的命令就通過譯碼產(chǎn)生相應(yīng)的信號，從而完成相應(yīng)的控制功能。定時控制包含基本訂數(shù)鍵。首級計數(shù)器是一個可編程的 N 級計數(shù)器。N 可以 2~31 之間由軟件編程，以便從外界時鐘 CLK 分頻得到內(nèi)部所需要的 100KHZ 時鐘，然后再經(jīng)過分頻，為鍵盤掃描提供適當(dāng)?shù)闹鹦袙呙桀l率和顯示時間。 （3）.掃描計數(shù)器有兩種工作方式，按編程碼方式工作時，計數(shù)器做二進(jìn)制計數(shù)。4 位計數(shù)狀態(tài)從掃描線 SL0~SL3 輸出，經(jīng)外部譯碼器譯碼后，為鍵盤和顯示器提供掃描線；按譯碼器工作方式時，掃描計數(shù)器的最后二位被譯碼后，從 SL0~SL3 輸出。因此，SL0~SL3 提供了 4 中取 1 的掃描譯碼。 （4）.回復(fù)緩沖器：鍵盤去抖及控制來自 RL0~RL7 的 8 根回復(fù)線的回復(fù)信號，由回復(fù)緩沖器緩沖并鎖存。在鍵盤工作方式中，回復(fù)線作為行列式鍵盤的行列輸入線。在逐行掃描時，回復(fù)線用來搜尋每一行列中閉合的鍵。當(dāng)某一鍵閉合時，去抖電路被置位，延時等待 100ms 后，在檢驗該鍵是否閉合，并將該鍵的地址和附加的位移、控制狀態(tài)一起形成鍵盤數(shù)據(jù)被送入 8279 內(nèi)部 FIF0（先進(jìn)先出）存儲器。4.3 編程設(shè) 8259A 為完全嵌套工作方式。中斷入口地址間隔為 4 個字節(jié)，IR0 的入口地址為 0260H 時，則 8259A 的初始化程序如下：CLR EA 8031CPU 禁止中斷MOV R0 ，#00H 送 ICW1（A0=0，CS=0A0=0）MOV A ，#76H（0111011013） ，設(shè) ICW1 命令字 MOVX @R0，A ICW1 命令字送入 8259AMOV R0 ，#01H ， 送 ICW2（A0=1，CS=A0=0）MOV A，#02H ， 中斷入口的高 8 字節(jié)地址為 02HMOVX @R0，A ， 送 ICW2 命令字入 8259ASETB EA ， 8031CPU 中斷允許 SETB IT0 ， 8031 選擇 INT0 為負(fù)跳變觸發(fā)SETB EX0 ， 8031 允許 INT0 中斷8259A 中斷服務(wù)程序流程圖如下：碼垛機(jī)器人設(shè)計17程序清單如下：ORG 0003HINTO:PUSH PSW ， 保護(hù)現(xiàn)場 PUSH AMOV R0 ， #00HMOVX A , @R0 取 CALL 碼，丟棄MOV DPL ，A 取中斷服務(wù)程序入口地址低 8 位INC R0MOV R0 , #01HMOVX A , @R0MOV DPH , A 取中斷服務(wù)程序入口地址高 8 位CLR AJMP @A+DPTR 轉(zhuǎn)向 8259A 、IRx 中斷服務(wù)子程序ORG I0260H ， IR0 中斷服務(wù)子程序LJMP IR0NOPLJMP IR7NOPORG IR0IR0：LCALL LAB ，模擬中斷返回8259A 服務(wù)子程序，延時 10ms先計算 10ms 定時所需的定時器初值，采用定時器方式 1，即 16 位計數(shù)器方式，計數(shù)器的始終頻率為 6MHZX=M－定時值 /T T=12/晶振頻率=12/6×106 =2us碼垛機(jī)器人設(shè)計18=216 －－（ 10×10-3 /2×10-6 ）= 65536－15000=50536=1110110001111000B則 TH0 初值為 ECHTL0 初值為 78H子程序清單：MOV TMOD ，#01H 定時器方式 1MOV TH0 ，#ECH 定時器高 8 位初值MOV TL0 ，#78H 定時器低 8 位初值SETB EA 開中斷SETB ET0 定時器允許中斷SETB TR0 啟動計數(shù)器POP AccPOP PSWRETI碼垛機(jī)器人設(shè)計19總 結(jié)這次畢業(yè)設(shè)計幾乎用到了我們大學(xué)所學(xué)的所有專業(yè)課程，可以說是我們大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識的一次綜合考察和評定.通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我們對以前所學(xué)的專業(yè)知識有了一個總體的認(rèn)識與融會貫通.例如我們在設(shè)計過程當(dāng)中需要用到所學(xué)的工程制圖、材料力學(xué)、機(jī)械工程材料、機(jī)械設(shè)計、極限配合與公差以及CAD 計算機(jī)輔助制圖等基礎(chǔ)的專業(yè)知識.在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，不僅使我們熟悉了舊的的知識點(diǎn)，還使我們發(fā)現(xiàn)了許多以前沒有注意的細(xì)節(jié)問題，而這些細(xì)節(jié)問題恰恰是決定我們是否能夠成為一名合格的機(jī)械技術(shù)人才的關(guān)鍵所在.此外，我感覺兩個月的畢業(yè)設(shè)計極大的豐富了我們的知識面，使我學(xué)到了許多知識，不僅僅局限于多學(xué)的專業(yè)知識.在做設(shè)計的過程中，由于需要用到課本外的知識，這要求我們上網(wǎng)或者到圖書館等查閱資料。例如在設(shè)計方案時就需要我們對螺旋離心泵的工作環(huán)境和工作能力等由一定的了解才能選用合適的方案。由于以前沒有注意此方面的問題，所以必須通過實(shí)踐認(rèn)識和查閱資料才能做到更好。碼垛機(jī)器人設(shè)計20致 謝大學(xué)生活即將結(jié)束，在這短短的幾年里，讓我結(jié)識了許許多多熱心的朋友、工作嚴(yán)謹(jǐn)教學(xué)相幫的教師。畢業(yè)設(shè)計的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)，在此向所有給予我此次畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)和幫助的老師和同學(xué)表示最誠摯的感謝。首先，向本設(shè)計的指導(dǎo)老師表示最誠摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡量抽出時間對我們進(jìn)行指導(dǎo)，時刻關(guān)心我們的進(jìn)展?fàn)顩r，督促我們抓緊學(xué)習(xí)。老師給予的幫助貫穿于設(shè)計的全過程，從借閱參考資料到現(xiàn)場的實(shí)際操作，他都給予了指導(dǎo)，不僅使我學(xué)會書本中的知識，更學(xué)會了學(xué)習(xí)操作方法。也懂得了如何把握設(shè)計重點(diǎn)，如何合理安排時間和論文的編寫，同時在畢業(yè)設(shè)計過程中，她和我們在一起共同解決了設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。其次，要向給予此次畢業(yè)設(shè)計幫助的老師們，以及同學(xué)們以誠摯的謝意，在整個設(shè)計過程中，他們也給我很多幫助和無私的關(guān)懷，更重要的是為我們提供不少技術(shù)方面的資料，在此感謝他們，沒有這些資料就不是一個完整的論文。另外，也向給予我?guī)椭乃型瑢W(xué)表示感謝。總之，本次的設(shè)計是老師和同學(xué)共同完成的結(jié)果，在設(shè)計的一個月里，我們合作的非常愉快，教會了大我許多道理，是我人生的一筆財富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示感謝！參考文獻(xiàn)碼垛機(jī)器人設(shè)計21[1]李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.[2]王為.機(jī)械設(shè)計 [M].湖北：華中科技大學(xué)出版社，2007.[3]唐增寶.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計[M].湖北：華中理工大學(xué)出版社,1999.[4] [日] 加藤一郎.機(jī)械手圖冊 [M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1979.[5]第一機(jī)械工業(yè)部機(jī)械研究院機(jī)電研究所編.工業(yè)機(jī)械手圖冊.北京：第一機(jī)械工業(yè)部機(jī)械研究院機(jī)電研究所，1976.[6]付亞子.機(jī)械手控制系統(tǒng)[C].湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.[7]楊德華.通用機(jī)械手設(shè)計[C].湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.[8]許睿.多功能機(jī)械手的設(shè)計[C].湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.[9]彭鍵中.水下機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計[C].湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.[10] Schneider Ditmar. Otto voo Guericke.Pneumatic TIPS No. 87/1994. FESTO Pneumatic. Esslingen[11] Hirohkio Arai,Kazuo Tanie,and Susumu Tachi.Dynamic Control of a Manipul or with Passive Joints in Operational Space.IEEE Transactions on Robotics and Automation.Vol.9.No.1.1993